Мембранный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред

Мембранный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред

Реферат

 

Использование в медицинской, фармацевтической, химической, биотехнологической и других отраслях промышленности. Аппарат содержит корпус с патрубками подвода и отвода сред, мембранный модуль, выполненный из набора плоских полупроницаемых мембран и размещенных между ними сепараторно-дренажных прокладок, и средства герметизации камер для обменных сред или камер разделяемой среды и пермеата, а также элементы герметизации модуля в корпусе. Прокладки и средства герметизации выполнены в виде планок-полосок из материала, содержащего термопласт, расположенных в боковых по отношению к направлению движения сред сторонах камер и неразъемно соединенных в местах контакта с мембраной с образованием двух групп чередующихся, щелевых, открытых в направлении подвода и отвода сред камер обменных или разделяемых сред и с образованием по боковым относительно направлению подвода и отвода сред ребрами мембранного модуля опорных элементов в виде колонн, герметично соединенных с элементами герметизации, выполненными в виде выступов на внутренней поверхности корпуса. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 14 ил.

Изобретение относится к мембранной технике, в частности к устройствам для осуществления массообменных процессов и/или процессов разделения жидких и/или газообразных сред в медицинской, фармацевтической, химической, биотехнологической и других отраслях промышленности.

Известно массообменное устройство для крови, содержащее набор опорных элементов, расположенные между ними полупроницаемые мембраны и приспособления для стяжки опорных элементов, причем опорные элементы и мембраны имеют соосные отверстия для ввода и вывода жидкости, а опорные элементы выполнены с выемками вокруг отверстий [1]. Герметизацию камер разделяемой среды и пермеата в данном устройстве осуществляют путем стяжки опорных элементов и механического прижатия мембранного материала к герметизирующим элементам.

Недостатками данного устройства является невозможность его массового производства вследствие низкой технологичности его изготовления, обусловленной сложностью изготовления опорных элементов и необходимостью тщательной центровки отверстий подвода и отвода разделяемой среды и отвода пермеата в мембранах и опорных элементах, а также невозможность использования ядерных мембран, так как они при герметизации путем механического сжатия повреждаются (лопаются).

Известно массообменное устройство, содержащее набор полупроницаемых гофрированных пластин, зажатых между двумя опорными элементами [2]. Конструкция данного устройства позволяет исключить располагаемые обычно между мембранами сепарационные элементы, однако она отличается сложностью изготовления полупроницаемых пластин, что ограничивает массовость производства из-за низкой технологичности изготовления.

Известно также мембранное устройство, содержащее прямоугольный корпус с коллекторами подвода и отвода разделяемой среды и отвода пермеата и мембранный модуль, выполненный в виде блока образованного сложенной складками мембраны и расположенными между складками сепарационными элементами [3]. Торцовые кромки модуля герметизированы заливкой пластиком по всей высоте герметиком. Конструкция данного устройства позволяет организовать только штучное производство, что свидетельствует о его низкой технологичности. Кроме этого для обеспечения проточности разделяемой среды между складками мембранного материала установлены дополнительные каналообразующие элементы, что приводит к образованию неравномерного распределения потоков и образованию застойных зон, что снижает производительность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является мембранный аппарат [4], состоящий из корпуса со штуцерами ввода разделяемой среды и вывода продуктов мембранного элемента, выполненного в виде герметизированного по трем сторонам сложенного гармошкой пакета из двух плоских полупроницаемых мембран и размещенного между ними дренажа, а также обоймы из отвержденного герметика, в которой закреплена негерметизированная сторона пакета, причем аппарат снабжен непроницаемой перегородкой, расположенной между корпусом и мембранным элементом, а также непроницаемым чехлом, расположенным вокруг незакрепленной части мембранного элемента и герметично сочлененным с непроницаемой перегородкой.

Данный мембранный аппарат позволяет улучшить гидродинамические характеристики потока разделяемой смеси за счет предотвращения смешивания исходной разделяемой смеси и концентрата, однако он недостаточно эффективен в эксплуатации и характеризуется обусловленной сложностью конструкции, низкой технологичностью изготовления мембранного аппарата.

Целью изобретения является повышение эффективности функционирования мембранного аппарата, технологичности его изготовления, обеспечения возможности ускоренной замены отработанного мембранного модуля и использования в качестве мембранного материала ядерных мембран.

Цель достигается тем, что в мембранном аппарате для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред, содержащем корпус с патрубками подвода и отвода сред, размещенный в нем мембранный модуль, выполненный из набора плоских полупроницаемых мембран и средств герметизации, образующих две группы чередующихся камер для обмена сред или разделяемой среды и пермеата, открытых в направлении подвода и отвода сред, набора сепарационно-дренажных прокладок, размещенных в камерах, и элементы герметизации модуля в корпусе, средства герметизации выполнены в виде планок из материала, содержащего термопласт, расположенных вдоль направления движения сред и неразъемно соединенных с мембранами с образованием в местах контакта с ними опорных элементов в виде колонн, при этом элементы герметизации модуля в корпусе выполнены в виде выступов на внутренней поверхности корпуса и герметично соединены с опорными элементами.

Кроме этого мембранный модуль снабжен дополнительными планками, расположенными внутри камер по направлению движения сред, и дополнительными выступами на внутренней поверхности корпуса, дополнительные планки выполнены из материала, содержащего термопласт, неразъемно соединены с мембранами с образованием в местах контакта с ними дополнительных опорных элементов в виде колонн, а дополнительные выступы герметично соединены с дополнительными опорными элементами.

Кроме этого в качестве мембран используют ядерные мембраны, а корпус и/или элементы герметизации выполнены из металла.

Предлагаемое изобретение позволяет не только при одновременном существенном упрощении конструкции мембранного модуля повысить эффективность его функционирования за счет обеспечения возможности использования ядерных мембран и за счет расширения функциональных возможностей аппарата, но и существенно повысить технологичность массового изготовления мембранных аппаратов, что особенно актуально для России в связи с надвигающейся пандемией СПИДа, поскольку конструкция и технология изготовления предлагаемых аппаратов позволяет наладить массовый выпуск дешевых, одноразовых, высокоэффективных и остро дефицитных в настоящее время аппаратов для обработки крови и других биологических сред.

Применение в предлагаемом аппарате ядерных мембран (работающих по принципу поверхностных фильтров) позволяет, по сравнению с другими используемыми в настоящее время мембранами (работающими в основном по принципу глубинных фильтров), например, мембранами на основе производных целлюлозы, существенно повысить эффективность процессов массообмена и/или разделения сред, например, эффективность отделения плазмы от крови или получения сверхчистой воды для полупроводниковой промышленности.

Выполнение непроницаемых зон герметизации камер разделяемой среды в виде планок-полос из материала, содержащего термопласт, например из клея-расплава на основе силактана, импрегнированного в сепарационные элементы, позволяет не только повысить эффективность массообмена за счет исключения застойных зон при движении разделяемых и/или обменных сред, но и повысить эффективность герметизации, поскольку размягченный под действием температуры клей-расплав при деформации модуля вдавливается в поры ядерных мембран и они более надежно приклеиваются друг к другу с одновременным образованием композиционных опорно-герметизирующих колонн по ребрам и на боковых сторонах мембранного модуля. При этом одновременно обеспечивается высокая технологичность массового производства разнообразных по производительности и функциональному назначению мембранных модулей и на их основе различных по своему функциональному назначению и производительности мембранных аппаратов для массообмена и/или разделения жидких сред.

На фиг.1,3,4, 7-10 изображены мембранные модули аппаратов для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких и/или газообразных сред; на фиг.2 - схема чередования слоев в мембранном модуле; на фиг. 5,6, 11-14 - варианты конструкции мембранных аппаратов.

Мембpанный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких и/или газообразных сред (фиг.5.6,11-14) содержит установленный в корпусе 10 мембранный модуль (фиг.1,3,4,7-10), состоящий из набора чередующихся и неразъемно соединенных между собой слоев (фиг.2) мембранного материала 1 и сепарационных элементов 2,3 с зонами 4,5 герметизации, изготовленных в виде планок из материала, содержащего термопласт, например из клея-расплава на основе силактана. Камеры обменных и/или разделяемых сред в мембранном модуле выполнены в виде плоских щелевых каналов, обеспечивающих взаимно-перекрестное движение сред в смежных камерах. Мембранный модуль герметизируют в корпусе 10 специальными выступающими средствами 11 герметизации, выполненными, например, в виде выступающих из боковых стенок корпуса и врезающихся в композиционные опорно-герметизирующие колонны 12 мембранного модуля ножевых пластин или иных аналогичных по своему назначению средств. При этом между стенками корпуса и боковыми сторонами мембранного модуля образуются распределители и коллекторы обменных или разделяемых сред, которые сообщаются с патрубками подвода 8 и отвода 9 сред (фиг. 5,6,11-14).

Перекрестно-направленные в смежных камерах и неразъемно соединенные со слоями мембранного материала 1 планки 4,5 герметизации образуют в вертикальных ребрах боковых сторон мембранного модуля вертикальные композиционные опорно-герметизирующие колонны 12, образованные плотно расположенными друг к другу и неразъемно соединенными друг с другом слоями мембранного материала и герметизирующими планками (полосками) 4,5 смежных камер. Готовый модуль (фиг. 2) устанавливают в корпус, в боковых стенках которого выполнены клиновидные выступы, которые вдавливаются в вертикальные участки с образованием распределителей и коллекторов и которые обеспечивают герметизацию потоков крови и плазмы относительно друг друга. При этом герметизация мембранного модуля в корпусе осуществляется только путем нагрева клея-расплава и механического вжатия мембранного модуля в корпус без традиционной заливки герметиком.

Характерной особенностью мембранных модулей является использование в качестве мембранного материала ядерных мембран, которые представляют собой тонкие (от 5 до 20 мкм) полимерные пленки (например, из лавсана или капрона), в которых специальными технологическими методами изготовлены сквозные цилиндрические поры диаметром от 0,05 до 2 мкм. От традиционных мембран, получаемых методами химической технологии, ядерные мембраны отличаются более высокой однородностью геометрических размеров и пpавильностью форм пор, высокой селективностью по отношению к выделяемому компоненту, очень низкой адсорбцией компонентов разделяемых сред поверхностью мембраны, биологической инертностью, полной совместимостью с компонентами крови и низким травмирующим действием на форменные элементы крови.

Однако наряду с высокими функциональными показателями ядерные мембраны отличаются малой толщиной (до 10 мкм), низкой механической прочностью (ядерные мембраны не выдерживают герметизации прижатием к контурам герметизации и лопаются) вследствие малой толщины, высокой электризуемостью и низкой адгезивностью по отношению к традиционным клеям, применяемым в медицинской и биотехнологической технике. Это существенно ограничивает использование ядерных мембран в аппаратах известных конструкций, где в основном осуществляется штучная укладка заготовок мембранного материала ( размер отдельных заготовок равен размеру мембранного аппарата) между сепарационными элементами и герметизация путем механического прижатия мембран к контурам герметизации.

Предлагаемая конструкция мембранного модуля и способ его изготовления обеспечивают возможность использования преимущества ядерных мембран и нейтрализуют присущие им отрицательные эффекты, так как лента мембранного материала в предлагаемом способе укладывается в складки заготовки мембранных модулей при натяге одновременно для нескольких мембранных модулей, что позволяет исключить проявления нежелательных электростатических явлений, связанных с электризуемостью, и исключает необходимость непосредственного соприкосновения с мембранным материалом во время изготовления мембранных модулей.

Использование клея-расплава или иных подобных по свойствам материалов обеспечивает надежное приклеивание мембраны к зонам герметизации за счет нагрева под нагрузкой (при этом часть клея вдавливается в поры) и одновременно герметизацию модуля в корпусе аппарата.

Использование в камерах плазмы микропористого материала в качестве сепарационно-дренажных прокладок в камерах пермеата позволяет равномерно распределить зоны соприкосновения мембран с сепарационными элементами по всей поверхности мембран, что повышает сопротивляемость мембран действию трансмембранного давления и дает возможность повысить эффективность функционирования за счет увеличения перепада давления в камерах крови и камерах плазмы без опасения механического повреждения мембран. Причем даже в случае наличия механических дефектов мембран случайно попавшие в плазму форменные элементы крови задерживаются микропористым материалом, что повышает эффективность функционирования предлагаемых мембранных аппаратов.

Кроме этого предложенная конструкция модуля позволяет автоматизировать серийное производство мембранных модулей и практически полностью исключить ручной труд и соприкосновение производственного персонала с поверхностью мембран при сборке мембранных аппаратов, что повышает технологичность изготовления стерильных аппаратов.

Изготовление мембранных модулей осуществляют следующим образом.

Ленту ядерной мембраны из рулона разматывают при натяге с образованием складок, между которыми устанавливают блоки заготовок сепарационно-дренажных прокладок с зонами герметизации камер, выполненными в виде полосок-планок из материала, содержащего термопласт, шириной N*A и длиной M*B, где N,M - целые положительные числа, а A,B - соответственно ширина и длина отдельного мембранного модуля (фиг.1,6). В блоках заготовках сепарационных элементов импрегнированы параллельные полосы-планки клея-расплава, причем в смежных камерах они расположены взаимно-перекрестно. После укладки необходимого количества складок получают блок заготовки мембранных модулей, который нагревают до температуры плавления клея-расплава, выдерживают под фиксированной нагрузкой, которая обеспечивает деформацию блока заготовки мембранных модулей не более 20% от первоначальной толщины блока при плотной укладке мембранного материала и сепарационных элементов. Затем охлаждают и получают блок мембранных модулей, который затем разделяют на N*M отдельных мембранных модулей (фиг.1,3,4,7-10).

Мембранный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред, например, для разделения крови на плазму и концентрат форменных элементов крови, работает следующим образом: Кровь подают через входной патрубок 8 (фиг.5) в распределитель крови, образованный герметичным щелевым зазором между корпусом и мембранным модулем, в котором происходит распределение крови по щелевым камерам 6 крови. Под действием внешнего давления кровь проходит через камеры крови, собирается в выходном коллекторе крови и отводится через выходной патрубок 9 концентрата крови. При этом часть содержащейся в крови плазмы под действием трансмембранного давления проникает через поры ядерных мембран и поступает в камеры 7 плазмы, откуда собирается в противоположных выходных коллекторах плазмы и отводится через патрубки 9 отвода плазмы.

Для проверки промышленной применимости изобретения, принципиальной работоспособности и эффективности мембранных модулей брали ядерные мембраны из лавсана (ТУ 95-1667-88) шириной 160 мм, толщиной 10 мкм, размерами пор 0,5 мкм и пористостью 10%. Ядерные мембраны получают путем бомбардирования лавсановой пленки тяжелыми ионами и обработки полученных треков травильным раствором щелочи.

В качестве заготовок сепарационных элементов в камерах крови использовали капроновую ткань для сит марки 14К4С по ТУ 17 РСФСР-11086-86 толщиной 270 мкм. B качестве клея-расплава для герметизирующих полосок-планок использовали силактан.

В качестве заготовок сепарационно-дренажных прокладок в камерах пермеата использовали стеклобумагу, полученную из микротонких стекловолокон диаметром 0,25-0,45 мкм, а в качестве клея-расплава дополнительных полосок-планок в камерах обменных и разделяемой сред использовали силактан.

Изготовленный мембранный модуль имел следующие параметры: A = 52 мм, В = 106 мм, ширина боковых зон герметизации 7 мм, рабочая площадь мембран 0,084 м².

При изготовлении мембранного модуля были приняты следующие параметры блока заготовок мембранных модулей: N = 3 и М = 1. Таким образом в данном случае в блоке содержалось N*M = 3 мембранных модуля.

Мембранные модули изготавливают следующим образом.

В заготовки сепарационно-дренажных элементов для камер крови и камер плазмы заподлицо с поверхностью импрегнируют полоски-планки зон герметизации из силактана при 130^оС.

Разматывают под натягом рулон ядерной мембраны и образуют складки, между которыми поочередно устанавливают заготовки сепарационно-дренажных элементов камер крови и камер плазмы. Полученную таким образом заготовку блока мембранных модулей помещают на основание специального приспособления и нагружают сверху массивной пластиной с массой (1,5-2,0)*N*M кг. В рассматриваемом примере масса пластины составила 5 кг. Приспособление с заготовкой блока мембранных модулей в течение 1,5 ч выдерживают при 130^оС, в результате чего происходит надежное приклеивание мембран к зонам герметизации. После охлаждения блока заготовок под нагрузкой получают блок мембранных модулей, который разделяют на отдельные мембранные модули (фиг.1,3,4,7-10). Полученные таким образом мембранные модули помещают в корпус и закрывают крышкой под действием механической нагрузки. В случае необходимости более надежной герметизации мембранного модуля в корпусе мембранного аппарата дополнительно осуществляют нагрев до температуры размягчения материала герметизирующих полосок-планок, например, до температуры размягчения силактана до 90^оС, выдерживание при температуре и охлаждение аппарата.

Экспериментальные исследования функциональных свойств плазмофильтров, изготовленных с использованием предлагаемых мембранных модулей, были проведены в Санкт-Петербургском НИИ скорой помощи им.Джалелидзе. Соответствие плазмофильтров мировому уровню проверялось путем сравнения их функциональных характеристик с характеристиками плазмофильтров ведущих зарубежных фирм. Испытания проводились на консервированной цитратом человеческой крови с гематокритом 0,42 л/л при скорости тока крови 10,0 мл/мин. Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ приведенных в таблице сравнительных данных показывает, что по функциональным характеристикам испытуемые плазмофильтры с использованием предлагаемого мембранного модуля вполне соответствуют мировому уровню.

Биосовместимость мембранных модулей доказана испытаниями на кроликах в Санкт-Петербургском институте травматологии и ортопедии им.Вредена.

Использование предлагаемых мембранных аппаратов и способа их изготовления позволяет существенно повысить технологичность и снизить трудоемкость их изготовления за счет обеспечения возможности полной механизации и автоматизации производства, что позволяет обеспечить крупносерийный выпуск остродефицитных в настоящее время мембранных плазмофильтров. При этом появляется возможность исключения контакта производст- венного персонала с отдельными деталями мембранных модулей, что повышает стерильность мембранных аппаратов.

Кроме этого преимуществом предлагаемой конструкции мембранного модуля является возможность изготовления на одном и том же производственном оборудовании мембранных модулей для проведения процессов разделения (например, плазмафереза или получения очищенных сред) и/или массообмена (диализа).

Формула изобретения

1. МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ МАССООБМЕНА И/ИЛИ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода сред, размещенный в нем мембранный модуль, выполненный из набора плоских полупроницаемых мембран и средств герметизации, образующих две группы чередующихся камер для обмена сред или разделяемой среды и пермеата, открытых в направлении подвода и отвода сред, набора сепарационно-дренажных прокладок, размещенных в камерах, и элементы герметизации модуля в корпусе, отличающийся тем, что средства герметизации выполнены в виде планок из материала, содержащего термопласт, расположенных вдоль направления движения сред и неразъемно соединенных с мембранами с образованием в местах контакта с ними опорных элементов в виде колонн, при этом элементы герметизации модуля в корпусе выполнены в виде выступов на внутренней поверхности корпуса и герметично соединены с опорными элементами.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что мембранный модуль снабжен дополнительными планками, расположенными внутри камер по направлению движения сред, и дополнительными выступами на внутренней поверхности корпуса, при этом дополнительные планки выполнены из материала, содержащего термопласт, неразъемно соединены с мембранами с образованием в местах контакта с ними дополнительных опорных элементов в виде колонн, а дополнительные выступы герметично соединены с дополнительными опорными элементами.

3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве мембран используют ядерные мембраны, а корпус и/или элементы герметизации выполнены из металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15